VR技術背景下汽車駕駛員應對突發情況處理的技術模型構建*

湖南應用技術學院 高玉龍 彭進香 曾雅泉 劉鵬程 劉標 申杰

隨著科技的進步和工作快節奏的需要，汽車使用量日益增加，隨著車輛的數量增加，交通事故多頻次出現已成為影響戶外出行、社會發展和人民生活的重要因素。因此有效預防道路交通事故的發生是當前乃至將來很長一段時間內一個重大而緊迫的任務，本論文是用來研究怎樣通過虛擬現實技術、交互技術和Unity3D技術來應對模擬駕駛員駕駛汽車時發生的突發情況以及對各種突發情況的應急處理能力和保障駕駛員的人身安全提供正確指導，減少事故的發生。

1 國內外研究現狀和發展動態

1.1 國內外研究現狀

國外虛擬現實技術的發展非常迅速，美、日、歐等國家計備將該項技術作為未來市場競爭的關鍵手段。縱觀汽車行業來看，為減少交通事故發生，一個新的技術即虛擬現實技術應用越來越受歡迎，它是指在建立一種仿真實的人工環境，然后人們在這中環境中從事駕駛、操作和設計等實際駕駛活動。同時虛擬現實技術也可應用于汽車設計、試驗、培訓等各個方面。

虛擬現實技術具有多感知性、沉浸感、交互性、自主性等特點，根據目前研究的情況來看，虛擬現實技術在駕駛模擬方面的研究主要是事先制作駕駛過程所需要的視頻資料,用于駕駛者的駕駛模擬場景來訓練。這種場景應用具有單一性, 擴展性差，面對突發狀況有很大的局限性。虛擬現實系統有桌面式VR、沉浸式VR、增強式VR、分布式VR等四種系統。本研究主要是針對桌式VR虛擬現實系統在汽車駕駛中的應用。桌面式VR虛擬現實系統主要是用計算機進行仿真技術研究，這種技術成本較低、應用比較廣泛，在此主要是用于構建駕駛場景去模擬汽車突發事件發生的場景和司機的操作之間的交互。

1.2 發展動態

道路交通安全是大家非常關注的一個問題，交通部門出臺了規范駕駛、酒駕處罰、疲勞駕駛等各個方面的管理文件,但有些交通事故是多方原因產生，必須要通過技術上的培訓與學習去避免發生。從當前的研究情況來看，駕培機構進行的駕培、安全教育沒有太多創新，基本上是傳統性的，成本高、效果不盡人意。根據科學技術的發展，可以根據天氣、光照等情況，通過駕駛場景系統從起步、倒車、變道、加減速、換檔、轉彎等方面進行模擬環境設定,實現駕培教學與安全教育，效果會更好。

2 汽車駕駛員應對突發情況處理應用到的相關技術

如今汽車是最常見的代步工具，數量在快速增加，各類安全問題也是層出不窮，汽車遭遇突發事故是難以避免的一種情況，據各方面的數據統計情況分析，我國每年有超過10萬余人死亡于交通事故，通過對汽車遭遇突發情況時汽車整車的運動情況進行分析解決汽車在遭遇突發情況時正確的操作可以盡可能的減少人員傷亡和經濟損失。主要應用VR技術對駕駛員面對汽車出現突發情況的情景模擬，提高駕駛員面對突發情況的應急能力和駕駛的能力，通過對駕駛員在模擬倉的操作，精準實現操作和汽車狀況的交互，提供更正確的指導。與之相關的還有3D模擬技術、視覺景象和聲音模擬技術、數據采集技術、實時運動計算、實時交互技術等，如圖1產品核心技術圖所示。

圖1 產品核心技術圖Fig.1 Product core technology diagram

通過以上技術的配合使用，可以達到以下效果：

(1)可以用于對汽車的輔助技術研究，更好的發現和了解汽車的一些隱患問題，提高駕駛員的意識。

(2)用于對汽車駕駛培訓的考核，提高駕駛員的安全意識和加強駕駛員對汽車突發情況的處理能力。

(3)提高駕駛員對汽車安全問題的重視程度，駕駛中嚴格按規定操作避免意外情況產生。

3 汽車駕駛員應對突發情況處理技術應用構想

天氣炎熱產生的爆胎事件，我們會通過Unity3D模擬技術工程模擬出汽車遭遇突發事件爆胎，搜集各類駕駛員的處理方式及最后的結果，結果一般會涉及到車型、高度、重量及輪胎的具體情況等，技術處理中一般應計算出汽車側向角度與方向盤和剎車的操作的臨界點。汽車側翻最基本的機械特性研究中可以通過轉彎過程中穩定車身的受力均衡性來考查與了解。車輛穩是指懸架與輪胎偏置在分析中可被忽略。轉彎中，側向力主要作用于地面上來平衡作用在汽車重心上的側向加速度，進行汽車爆胎模擬試驗必須研究左前輪和左后輪遭遇爆胎后前輪的側向力的變化，要針對不同的情況研究出駕駛員如何操作可以更容易操控汽車。

處理汽車駕駛員應對突發情況問題的技術核心首先是在模擬過程中通過對汽車駕駛員發生突發情況時精準預測給駕駛員做出應急處理的正確性指導；其次對于現實生活中汽車突發情況產生的情景事件進行模擬，給出合理的指導操作方法，多次模擬效果再加以實施，記錄產生各種模擬情況的數據并進行分析，找出最合理的解決方法，主要從以下幾個方面進行：

(1)突發事件選擇系統：收錄了生活中常見的汽車突發事件，可以對需要模擬的場景進行模擬，還可以錄入新出現的突發事件。

(2)Unity3D模擬技術工程：采用Unity3D模擬技術模擬出汽車的框架，道路以及需要模擬的物品，還原真實的汽車感覺，給人已真實感。

(3)視覺景象和聲音模擬技術系統：該系統可以還原真實的視覺景象和聲音給人一種真實感可以真實的反應出駕駛員遇到突發情況的真實反應。

(4)數據采集技術工程：可以采集計算機做出的操作，該操作可以對車造成什么改變，并讀出車的數據，反饋給系統。

(5)實時運動計算系統：系統專門計算汽車的運動情況，并反饋出運動情況，反映出真實情況下這個汽車的真實軌跡。

(6)實時交互技術系統：該系統是將做出的什么操作，應該會出什么結果的重要系統，里面包含汽車的變化與駕駛員的操作相匹配的技術。

(7)汽車的運動方程：根據不同路況、速度、車輛重量和司機操作等返回一個準確結果。

(8)模擬操作：根據汽車側翻情景、受力情況來設置場景流程基本操作框架圖（如圖2、圖3、圖4所示）。

圖2 汽車側翻模擬圖Fig.2 Simulation of car rollover

圖3 爆胎車輪側向力變化曲線Fig.3 Variation curve of lateral force of punctured wheel

圖3 電鑄層微觀形貌圖Fig.3 Micro morphology of electroformed layer

圖4 基本操作框架圖Fig.4 Basic operation frame diagram

通過對汽車出現的各種突發情況做出實證分析需以上各方面的情況下還需考慮汽車速度、道路狀況等因素，綜合各種情況處理之下精準實現駕駛員操作和車輛狀況的交互，用來判斷駕駛員對此情況處理的正確性，必須實現硬件與軟件的無縫結合，如駕駛模擬軟件里根據不同的路況場景和各種突發事件帶來的撞擊等可通過精準的力反饋來反應到外部四軸電缸的底座上，然后電缸進行精確的上下、左右傾斜等運動，讓駕駛員感受到汽車的加速與撞擊、顛簸與當半坡起步時的離合器處于半離合狀態的真實駕駛體驗才更有利于該技術的實施。